ε-聚赖氨酸(ε-PL)是由微生物发酵生产的一种天然食品防腐剂,已被广泛应用于日本、韩国、欧美等国家和地区的食品行业。国际上ε-PL的发酵生产主要由日本窒素公司垄断,国内ε-PL发酵只有少数几家企业实现了小规模生产。因此,总体上来说,国内ε-PL研究还处于实验室和中试阶段。然而,随着我国于近期批准ε-PL作为食品防腐剂在淀粉制品、肉制品和果蔬制品等食品中的使用,ε-PL的大规模工业化生产需求迫在眉睫。本文以一株潜在ε-PL工业生产菌Streptomyces albulus M-Z18为研究对象。首先对ε-PL种子扩大培养工艺进行优化;然后考察了ε-PL小试(50 L)和中试(1 m3)发酵条件,逐步从5 L发酵罐放大到50 L和1 m3规模发酵罐;最后针对小试和中试过程中发现的发酵后期ε-PL合成能力下降的问题,提出了利用调节p H和流加有机氮源(酵母粉)的方法强化ε-PL补料分批发酵。取得的主要研究结果如下:(1)确立了以p H作为移种标准的种子扩大培养工艺。通过考察不同孢子预处理方式对ε-PL种子培养和分批发酵的影响,确定孢子超声1 min为最佳预处理方式;在此基础上,通过进一步优化接种龄和接种量,确定了一级种子的接种条件为:接种龄为对数后期,接种量为12%(v/v)。在上述接种条件下,经过5 L发酵罐中192 h的补料-分批发酵,ε-PL产量达到48.9 g·L-1,比对照组(摇瓶培养种子)提高了32.3%。基于优化一级种子移种二级种子培养的时间,确定一级种子接种到二级种子罐的时间为对数中期,实现ε-PL分批发酵产量达到12.47 g·L-1,比接种一级种子产量提高了21.1%。(2)实现了ε-PL发酵从5 L发酵罐放大到50 L和1 m3规模发酵罐。通过考察培养温度、搅拌组数、装液量对50 L规模ε-PL发酵产量的影响,优化出50 L发酵罐最佳发酵条件为:培养温度30℃、两组搅拌、70%装量系数。此外,发现自来水对ε-PL发酵无影响。最优条件下,50 L发酵罐中经过192 h补料-分批发酵,ε-PL产量和产率分别达到36.22 g·L-1和4.53 g·L-1·d-1。根据小试放大工艺和优化100 L种子罐孢子接种数量,实现1 m3发酵罐上连续三批次ε-PL补料分批发酵产量稳定达到30 g·L-1以上。(3)借助调节p H和流加酵母粉强化了补料分批发酵后期ε-PL合成能力。利用调节p H和流加酵母粉两种策略分别实现ε-PL产量达到35.87 g·L-1和41.32 g·L-1,比未调控补料分批发酵分别提高了23.7%和42.5%。进一步通过CTC活细胞染色技术和关键酶活性检测方法发现:①未调控ε-PL补料分批发酵过程溶氧上升和ε-PL产率下降是由细胞自身活力和初级代谢途径关键酶活性下降引起;②两种调控方法是从提高菌体细胞活力和初级代谢途径关键酶活性角度达到促进ε-PL合成的效果。